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1、穩(wěn)定同位素樣品取樣方法講座大綱林光輝陳世蘋中國(guó)科學(xué)院植物研究所北京100093第一部分固體樣品采集1植物水分利用效率的研究：取樣部位：葉片測(cè)定指標(biāo)：d13C基本原理：d13C分析是評(píng)估C3植物葉片中細(xì)胞間平均CO2濃度的有效方法。根據(jù)Farquhar等(1982)，植物的d13C值可由下式來(lái)表示：d13Cp=d13Ca-a-(b-a)×Ci/Ca式中，d13Cp和d13Ca分別為植物組織及大氣CO2的碳同位素比率，a和b分別為CO2擴(kuò)散和羧化過(guò)程中的同位素分餾，而Ci和Ca分別為細(xì)胞間及大氣的CO2濃度?？擅黠@看出，植物的d13C值與Ci和Ca有密切的聯(lián)系
2、。植物組織的d13C值不僅反映了大氣CO2的碳同位素比值，也反映了Ci/Ca比值。Ci/Ca比值是一重要的植物生理生態(tài)特征值，它不僅與葉光合羧化酶有關(guān)也與葉片氣孔開閉調(diào)節(jié)有關(guān)，因而Ci/Ca值大小也與環(huán)境因子有關(guān)。另一方面，根據(jù)水分利用效率的定義，植物水分利用效率也與Ci和Ca有密切的聯(lián)系，這可由下列方程式中看出：A=g×(Ca-Ci)/1.6E=g×ΔWWUE=A/E=(Ca-Ci)/1.6ΔW式中，A和E分別為光合速率和蒸騰速率，g為氣孔傳導(dǎo)率，而ΔW為葉內(nèi)外水氣壓之差。這樣，d13C值可間接地揭示出植物長(zhǎng)時(shí)期的水分利用效率：WUE=由于植物組織的碳是
3、在一段時(shí)間（如整個(gè)生長(zhǎng)期）內(nèi)累積起來(lái)的，其d13C值可以指示出這段時(shí)間內(nèi)平均的Ci/Ca值及WUE值。注意事項(xiàng)：2陽(yáng)生葉片；2光合活性強(qiáng)的葉片（避免新生和衰老葉片）；2比較不同種或不同地區(qū)植物的水分利用率時(shí)應(yīng)注意大氣CO2本底的d13C值與氣候和水分條件是否接近。特別是在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物葉片d13C值存在明顯的冠層效應(yīng)，即愈接近森林地表，植物葉片的同位素貧化（isotopicdepletion）效應(yīng)愈明顯，產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因主要有兩個(gè)：一個(gè)是林冠內(nèi)部形成的光強(qiáng)梯度，光強(qiáng)下降導(dǎo)致較高的Ci/Ca；第二是林下植物和土壤呼吸釋放含有較低13C的CO2。前處理
4、：盡可能立即烘干；測(cè)定前要粉碎過(guò)60－80目篩難題：高大喬木取樣；地理跨度很大或氣候條件差異明顯的地點(diǎn)間的比較2植物光合類型的判定取樣部位：葉片測(cè)定指標(biāo)：d13C基本原理：植物光合作用是自然界產(chǎn)生碳同位素分餾的最重要過(guò)程。目前大氣CO2的d13C值為8‰左右。大氣CO2經(jīng)氣孔向葉內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程、CO2在葉水中的溶解過(guò)程，以及羧化酶對(duì)CO2的同化過(guò)程，均存在由顯著的碳同位素效應(yīng)（Farquharetal.,1989）。而且，不同光合途徑（C3、C4、和CAM）因光合羧化酶（RuBP羧化酶和PEP羧化酶）和羧化的時(shí)空上的差異對(duì)13C有不同的識(shí)別和排斥，導(dǎo)致了不同
5、光合途徑的植物具有顯著不同的d13C值。在陸生植物中，C3植物的d13C值由-20‰到-35‰（平均為-26‰），C4植物由-7‰到-15‰（平均為-12‰），而CAM植物由-10‰到-22‰(平均為-16‰),因此d13C值可用來(lái)鑒別植物的光合途徑。注意事項(xiàng)：陽(yáng)生葉片；光合活性強(qiáng)的葉片。難題：對(duì)一些中間類型或CAM光合途徑兼有的物種的判斷比較困難3植被變遷取樣：植物葉片或植株、土壤、花粉粒、動(dòng)植物化石等測(cè)定指標(biāo)：d13C基本原理：不同光合類型植物的d13C值之間存在很大差異，土壤有機(jī)質(zhì)、花粉粒以及動(dòng)植物化石d13C值中包含了不同地質(zhì)年代的植被光合類型等方
6、面的信息，如土壤有機(jī)質(zhì)是由分解的植物殘?bào)w逐漸轉(zhuǎn)化和積累起來(lái)的，所以土壤有機(jī)質(zhì)同位素組成與其上的植被同位素組成有直接的關(guān)系，因此可以用來(lái)判斷植被的變遷，主要是C3/C4植物的構(gòu)成比例。哺乳動(dòng)物牙齒的釉質(zhì)層，特別是食草動(dòng)物的食物同位素組成比較規(guī)律和穩(wěn)定，所以牙齒化石釉質(zhì)的穩(wěn)定同位素分析對(duì)于判斷古氣候變化非常有用。注意事項(xiàng)：植物取樣同上；土壤根據(jù)具體情況取不同深度的樣品，淺表土壤盡量劃分的細(xì)些，如0-2cm,2-5cm,5-10cm等，最表層土壤容易受到人類和生物活動(dòng)的干擾，所以一般表土樣品采集地表下2-3cm的土壤，此層土壤中的有機(jī)質(zhì)組分經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的分解，達(dá)
7、到了穩(wěn)定。前處理：植物樣品處理同上；一般土壤樣品需要研磨過(guò)80-100目篩，如果是堿性土壤需要酸化，即用過(guò)量的稀釋HCl（2mol/L）處理土壤樣品24小時(shí)，以除去土壤中的碳酸鹽。去除土壤中碳酸鹽主要是因?yàn)橥寥乐械奶妓猁}不僅容易受成巖作用影響，而且這些碳酸鹽從形成起直到今天一直在與地層中的CO2氣體反應(yīng)，因此這種來(lái)源的同位素分析很難真正反映地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候狀況。難題：此方法只適于原始與現(xiàn)代植被類型間d13C差異較大的地區(qū)，如由C4草原轉(zhuǎn)變?yōu)镃3灌叢；由C3草原轉(zhuǎn)變?yōu)镃4植物為準(zhǔn)的農(nóng)田（玉米、甘蔗等）。當(dāng)分析花粉粒、動(dòng)植物化石樣品時(shí)常需要特殊的儀器（樣品量
8、太小）。而對(duì)化石材料分析的很大困難應(yīng)該是如何準(zhǔn)確確定它所處的地質(zhì)年
